碳中和導向下基于InVEST模型的城市生態空間系統評價研究

郭茹　邵光輝　劉林京　曹曉靜　賈海峰

關鍵詞：土地利用；生態空間；碳中和；空間分析；元胞自動機

中圖分類號：X820 文獻標志碼：B

Key words：land use; ecological space; carbon neutrality; spatial analysis; cellular automata空間。中國2020年提出“爭取在2060年前實現碳中和”，對未來生態碳匯能力和水平形成了剛性約束，而生態空間則是生態系統碳匯能力和水平的物理承載。面向碳中和目標的生態空間管控是一個涉及生態、經濟和社會系統多元協同的復雜工程，面臨諸多挑戰。一是對微觀尺度下生態空間管控單元的精細化研究不足，尤其是對不同尺度管控單元劃定科學性與管控有效性的評價分析；二是目前生態空間管控單元主要依據其歷史和現狀情況進行評估、分級與劃定，未充分考慮土地演化對其長遠影響，難以應對未來土地利用變化所造成的生態安全風險；三是對生態碳匯能力與水平的有效評估亟待加強。

針對當前管控要求與未來需要，研究利用Arc-GIS技術，建立了基于InVEST模型的生態空間系統評價方法，對城市生態空間的數量、格局與品質進行綜合性評估，以期為碳中和導向下的生態空間規劃與管控提供參考基準和定量分析工具，為上海乃至全國開展基于生態空間科學管控的氣候變化應對提供借鑒。

2研究方法與研究區域

2.1城市生態空間系統評價方法

研究面向國家碳中和戰略目標，提出了一種融合了城市生態空間數量、格局和碳匯水平的系統評價方法。通過土地利用轉移矩陣識別城市生態空間數量變化水平，采用景觀水平指數評估生態空間變化的空間格局特征，同時基于InVEST模型開展了生態空間碳匯水平評估。

2.1.1生態空間數量評價方法

研究從靜態和動態兩個角度分析了生態空間數量變化。靜態方面，統計了不同年份各類土地的絕對數量與比例，明確了土地利用演化整體趨勢；動態方面，利用土地利用轉移矩陣，明確了土地利用演化的具體類型。

2.1.2生態空間格局評價方法

景觀指數是生態空間景觀格局分析的重要方法之一，可表征景觀的破碎化程度以及連通性、穩定性等特征。為了定量識別城市生態空間格局破碎化趨勢和復雜性程度，研究采用景觀指數法評估生態空間變化的空間格局特征，包括邊緣密度、面積加權平均斑塊分維數和景觀聚合度指數。

式（4）中，C_total、C_above、C_below、C_soil和C_dead分別代表研究區域內的總碳匯量、地上生物碳匯量、地下生物碳匯量、土壤有機質碳匯量，死亡有機質碳匯量，單位均為tC。

研究采用不同生態空間類型碳密度法對碳匯能力進行估算。碳密度指單位面積生態空間中的碳匯量，單位為tC·ha^-1。

2.2數據來源

研究采用的土地利用數據來自中國自然資源部下轄國家基礎地理信息中心全球地表覆蓋30米分辨率遙感數據制圖成果（GlobeLand30）。行政區劃數據來自國家基礎地理信息中心。DEM高程數據來自全球數字高程數據產品（ASTER GlobalDigital Elevation Model，ASTER GDEM）。路網數據來自中國城市規劃設計研究院上海分院。其他數據來源于國家統計局網站、上海統計年鑒（2004年- 2020年）等。

3結果與討論

3.1上海市生態空間數量演變

3.2上海市生態空間格局演變

如表1和圖2所示，2000年-2020年上海市總體生態空間格局呈現破碎化發展，但破碎化程度逐漸降低。城鎮開發邊界從“攤大餅”式的無序擴張，轉型為多樣化、集中式發展，耕地面積顯著減少，林

城鎮化發展導致2000年-2020年上海市建設用地不斷增加，耕地面積持續減少，但兩者總量基本穩定在63萬公頃左右。同時，林地、草地、濕地面積增長迅速，生態空間類型趨于多樣，生態空間持續拓展。

分區域看（如圖1所示），中心城區主要土地利用類型為建設用地，2000年-2020年，長寧區、普陀區、楊浦區建設用地有所增長，黃浦區與虹口區建設用地保持穩定，徐匯區與靜安區建設用地有所減少。生態空間方面，至2020年，中心城區耕地面積已不足2公頃，林草地面積大幅提升，水體面積保持穩定。除崇明區外，其他區域耕地面積均逐年減少。

總體而言，2000年-2020年間，土地利用類型從“兩分城市六分田”格局轉變為“四分城市四分田”格局。其中，耕地面積減少，建設用地快速上升，水體面積略有下降，林地、草地、濕地等生態空間占比有所增加，“向海要地”速度放緩。從土地利用轉化趨勢來看，各地類穩定性由高到低排列依次為建設用地、水體和耕地、濕地、草地、林地。草地沿外環綠道及社區街道呈現“一環星布”式發展，水體濕地保持穩定。生態空間的分布與品質更加優化，但優勢斑塊的連通度有所下降，整體景觀趨于破碎復雜，生態空間受到人類活動的影響更加顯著，生態安全風險有所增加，保證其穩定性的維護運營成本顯著提升。

建設用地方面，2000年-2010年，上海市建設用地擴張增速達51.50%，將大量耕地轉化為城鎮空間，建設用地景觀分布更加破碎；2010年-2020年，上海市建設用地擴張速度放緩，僅增長15.27%。耕地方面，2000年-2010年，上海市耕地減少17.75%；2010年-2020年，上海市耕地減少15.54%，耕地向林地、草地、濕地轉移明顯，圍墾造田速度略有下降，耕地空間布局逐步呈碎片化。林草地方面，2000年-2010年，上海市中心城區林草地有所減少，城市綠地主要依托森林公園建設；2010年-2020年，上海市中心城綠帶建設成效顯著，城市綠地服務能力顯著提升。濕地方面，2000年-2010年，上海市濕地增長81.00%；2010年-2020年，上海濕地增長迅速放緩，增長僅3.56%。水體方面，2000年-2010年，上海市水體減少12.14%；2010年-2020年，上海市水體減少幅度縮小至2.27%，城市建成區內水體面積有所增加，與崇明區圍墾導致水體減少形成對沖，水體總面積逐漸趨于平衡。

總體來看，上海市生態空間趨于破碎化發展，生態安全風險有所增加，維護運營成本顯著提升。應加強生態空間綜合管控，在生態稟賦良好的區域預留大型生態空間建設地塊。立足本地水網密布的景觀特征，因地制宜提升生態空間連通性。堅持保護優先，自然恢復為主的方針，加強自然濕地保護，通過減少不必要的人工干預降低運營維護成本。

3.3上海市生態空間碳匯水平演變

從碳匯總量來看，2000年-2020年上海市生態空間碳匯總體呈現減弱趨勢，生態空間總體碳匯量減少6.22%。其中，2000年-2010年減少11.58%，2010年-2020年增長6.07%，生態空間碳匯量有所回升，生態品質退化趨勢明顯好轉。

從生態空間類型來看（如圖3所示），耕地碳匯是上海生態碳匯的主要形式。其中，2000年占比最高達93.85%，2020年占比下降至69.53%，占比明顯下降；林草地碳匯能力迅速提升，兩者之和從2000年的1.59%增加至2020年的21.37%水平，數量增長為12.59倍，填補了耕地面積下降導致的碳匯能力減少；濕地碳匯能力顯著提升，2020年占比達到9.10%。2020年，上海市生態空間碳匯分布更加多元，結構更加優化，林草地與濕地碳匯量占比達到三分之一以上。

分區域來看，中心城區單位面積碳匯不及郊區，但波動幅度強于郊區，呈現明顯的空間差異。2000年-2010年，除崇明區外上海市所有地區單位面積碳匯均有所下降。其中中心城區單位面積碳匯減少40.88%，郊區減少19.56%，中心城區降幅明顯大于郊區。2010年-2020年，由于城市綠地建設加快發展，中心城區碳匯能力均有所增長。土地利用變化導致中心城區單位面積碳匯增長33.07%，郊區增長5.81%，中心城區增幅明顯大于郊區。上海市單位面積碳匯有所降低，2000年-2010年減少13.53%，2010年-2020年增長5.81%，生態品質退化趨勢有所減弱，碳匯降低速率減緩。

總體而言，上海市生態空間碳匯變化呈現較高的空間異質性，單位面積碳匯減少與耕地面積減少緊密相關，耕地作為半人工生態系統具有重要的碳匯價值，但這并不表示上海應當發展以耕地為主的碳匯結構。主要原因是耕地碳匯能力受生產方式影響顯著，由于生產能源消耗、化肥農藥施用以及不合理的耕作方式，容易導致耕地凈碳匯為負值。因此，上海應當積極調整目前較為脆弱的生態碳匯結構，全方位提升生態碳匯能力。同時，加強濕地管理，嚴格管控入侵植物，利用高碳匯植被提升濕地碳匯水平。此外，可結合海綿城市建設，對中心城區商業建筑、交通設施與私人住宅，廣泛開展節水型屋頂綠化、立面綠化、垂直綠化等立體綠化設施建設。

4結論

生態空間是實現可持續發展的基礎，其安全正受到氣候變化與快速城鎮化的雙重威脅。傳統生態空間評價方法未充分考慮土地利用變化所造成的生態碳匯變化，對碳中和目標的影響機制仍不明確。研究以上海市為例，提出了碳中和導向下基于In-VEST模型的城市生態空間系統評價方法。結果顯示，2000年-2020年，上海市耕地面積減少，建設用地快速上升，水體面積略有下降，林地、草地、濕地等生態空間占比有所增加。生態空間的分布與品質更加優化，但優勢斑塊的連通度有所下降。生態空間碳匯變化呈現較高的空間異質性。研究提出的系統評價方法對城市生態空間數量、格局與品質開展綜合評估，可為碳中和導向下的生態空間規劃與管控提供參考基準和定量分析工具。